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前進水星 科學人3月號
就在這個月，傳信者號要進入水星軌道囉！
重點提要
■水星一直讓科學家備感困惑。它只比月球大1/4，但全星磁場等特色卻和地球很像。它
的表面有許多坑洞，卻又有許多較年輕的地質活動跡象。
■2008、2009年，美國航太總署的傳信者號進行1970年代中期以來首次飛掠水星。它拍攝
到以往未曾仔細觀察過的半球影像，同時意外發現劇烈的電漿活動。
■今年3月18日，傳信者號終於將進入環繞水星的軌道，並開始執行為期一年的軌道任務
。單單抵達水星附近就已經相當困難，因為水星的公轉速度相當快，而且十分接近太陽。
有個老笑話是這樣的：吃蘋果時，比發現一條蟲更糟糕的事，就是發現半條蟲。1974年3
月29日，行星科學家就有類似的感覺。當時水手10號飛掠過水星，讓人類首次有機會好好
觀察這個水深火熱的小小世界。它在水星上發現了太陽系中最大的撞擊盆地，後來命名為
卡路里盆地。但太空船只拍攝到半個盆地，另一半被黑暗所籠罩。事實上，水手10號那次
和1974年底、1975年的兩次飛掠觀測加起來，拍攝到的水星表面還不到一半。
直到34年後，我們終於看清楚整個盆地，而且比先前的影像更令人印象深刻。2008年1月
14日，傳信者號探測船（MESSENGER）飛掠過水星，傳回地球的第一張影像中，卡路里盆
地就幾乎在正中心。我同事夏波（Nancy Chabot）展示這張影像時，大家都歡呼起來——
不過沒有歡呼多久，因為後來我們開始熱烈討論影像中的東西究竟是什麼。它看起來像是
黑白顛倒的月球影像。雖然水星坑坑洞洞的表面跟月球很像，但月球上的盆地內部陰暗又
充滿熔岩，而卡路里盆地則滿是淺色的平原，我們至今仍不太了解。
水星是目前探索最少的內行星，它的表面地形和亮度變化只是眾多奧秘中的兩個。2004年
發射升空的MESSENGER，是「水星表面、太空環境、地理化學與漫遊探索」的縮寫，目的
是解答六個主要問題：水星表面的組成是什麼？水星的地質史？這麼小的行星怎麼會有全
星磁場？水星的磁性核心仍是熔融狀態嗎？雷達圖中位於水星兩極的亮塊是什麼？水星稀
薄的大氣由什麼過程主導？相較於水手10號當年只是在掠過時匆匆瞥上幾眼，傳信者號將
進入環繞水星的軌道，深入研究水星，完成水手10號未完成的工作。
前往水星 朝地獄降落
水手10號任務之後隔了30年才有後繼任務，原因之一是前往水星並在水星順利運作，在技
術上頗具挑戰性。太空船如果從地球直接朝水星前進，會落入太陽的重力場，速度將加快
到超過水星的公轉速度，每秒快了13公里。傳統火箭引擎使太空船減速的幅度，不足以讓
太空船被水星重力捕捉而進入軌道。就所需能量而言，雖然木星比水星遠得多，但其實水
星比木星更難抵達。
要成功抵達水星，傳信者號必須先飛掠地球一次，再飛掠金星兩次、飛掠水星本身三次。
每飛掠一次，太空船就轉移一部份動量給行星。這個程序和推動太空船前往外行星所使用
的重力彈弓效應相同，只不過其軌道設計是協助太空船減速，而不是加速。經過六年半之
後，這一連串飛掠可使太空船的秒速降低11公里。
傳信者號的主火箭引擎已經完成任務。太空船的構造就像是個飛行油箱，除了推進燃料槽
之外，其他的構造盡量簡化及輕量化。發射升空時，太空船的總質量為1100公斤，其中有
600公斤是燃料。
抵達水星只能算是成功一半。在水星上，太陽亮度是在地球上的11倍，水星表面的溫度更
是高到足以熔化鋅。太空船必須躲在以陶瓷纖維編織而成的遮陽板 底下。太陽能板 當然
不能躲在遮陽板下，不過即使太陽能板可在高溫中運作，我們仍必須將它大幅傾斜，使它
只吸收一小部份陽光，不致過熱。
科學儀器必須暴露於水星表面。為了承受高溫炙烤，攝影機 放置在400公克的石蠟上，太
空船的繞行軌道較低時，石蠟會熔化並吸收熱；當太空船回到高空或進入陰暗面，石蠟又
會凍結，等待下一次循環。
另一項挑戰就是水星的自轉相當慢。水星上的一個太陽日（兩次日出之間的時間）等於
176個地球日。在為期一地球年的任務中，許多地點只有一小段時間可在最理想的環境下
進行觀察。
地殼 比想像中活躍的地質活動
在水手10號任務之前，某些科學家猜測水星的地質和月球一樣死氣沉沉。行星或衛星內部
的熱散失之後，地質活動也會停止，而這一天什麼時候會到來，則取決於天體大小。天體
較小時，表面積相對於體積的比例較大，因此冷卻得較快。由於水星只比月球大1/4，因
此地質史應該相當類似。但水手10號傳回的影像中，似乎有火山形成的廣闊平原，讓人開
始質疑這種看法。但這很不容易說分明。從遠處看來，月球上的凱萊平原同樣看起來像不
尋常的火山平原，但阿波羅16號太空人在此著陸時，只看到隕石撞擊留下的碎片。
我們從來不認為傳信者號能像阿波羅16號一樣，很快地解答這個問題。它已經觀察到清楚
證據，顯示水星上有各種色彩和成份的熔岩，以及以往曾經發生規模類似義大利的聖海倫
斯火山的火山噴發。以電腦強化色調後，可看出這些關係。隕石坑內較低的區域充滿不同
色彩的平滑物質，較小較年輕的隕石坑則翻出來自地殼內不同深度的各色物質。這些影像
顯示，水星地殼最上層數公里是由一層層火山沉積物組成。
科學家藉由類似的地形和色彩畫出地勢的界線，已經製作出傳信者號時代的首幅新版水星
地質圖。水星表面大約有40%（包括卡路里盆地 內部）是平原，其中許多可能是由火山造
成。平原間的灰色區域是隕石坑較多、年代可能較久的平原 。與月球和火星相比，較值
得一提的差別是平原的分佈狀況。月球的平原集中在面對地球的近地側，火星的平原位於
北半球的廣大火山高原上，水星的平原則遍佈各處。水星最年輕的平原可能只有10億年，
依照月球和火星的標準而言，算是相當新。
科學家還在持續研究涵蓋水星表面15%面積的藍色區域，例如托爾斯托盆地
等。這些區域或許含有鐵和鈦氧化物，這些氧化物可能是撞擊時由地殼深處翻出來的，也
可能是最古老的火山物質噴濺在較年輕的淺色熔岩上。
傳信者號在軌道上拍攝影像時，解析度將可達到飛掠時拍攝影像的三倍以上。此外，只有
飛掠時這一小段時間可以運作的儀器，也總算能夠傳回品質最佳的資料。舉例來說，γ射
線和中子光譜儀將延續1990年代地面雷達的觀測結果：水星的極地區域含有雷達反射率特
高的物質，可能是水冰 。在如此灼熱的行星上，很難想像會有冰存在，但永遠在陰影籠
罩下的兩極地區，則可能將彗星或含水量較高的隕石撞擊水星時帶來的水氣保存下來。